Sb94859

используют несколько пластин, например из кварца, уложенных друг на друга через проводящие металлические пластины.

Заряд, возникающий в пьезоэлектрических преобразователях, «стекает» по изоляции и входной цепи средства измерения. Собственное сопротивление пьезоэлемента определяется удельным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопротивлением. Первая составляющая, как правило, значительно больше второй (для кварца

1013...1015 Ом), поэтому определяющим в схеме является поверхностное

сопротивление, для повышения которого до 109...1010 Ом и для уменьшения «стекания» заряда преобразователь приходится герметизировать, защищая его поверхности от влажности и загрязнения [3]. Приборы, измеряющие разность потенциалов, для обеспечения большого времени разряда должны

иметь высокое входное сопротивление (1012...1015 Ом). Такое сопротивление могут обеспечить, например, электрометрические усилители и так называемые усилители заряда [3].

С учетом сложности создания стабильных измерительных усилителей постоянного тока, работающих с маломощным источником сигнала, обладающим к тому же высоким внутренним сопротивлением, практическое применение пьезоэлектрических ИП ограничивается областью динамических измерений [4]. В этом случае не нужно поддерживать большую постоянную времени разряда.

Достоинства пьезоэлектрических ИП – простота конструкции, высокая надежность, достаточно высокая чувствительность, хорошие динамические свойства.

Недостатками пьезоэлектрических ИП являются невозможность использования этих преобразователей при статических измерениях, трудность градуировки в динамическом режиме, необходимость защиты от внешних воздействий, а также сложность средств, измеряющих выходной сигнал преобразователей.

3.4. Электрические термометры сопротивления

Электрические термометры сопротивления представляют собой соединение термочувствительного ИП (терморезистора) и того или иного средства измерения. В качестве последнего обычно применяется равновесный или неравновесный мост.

41

Терморезистор включается в измерительное плечо моста по двухпроводной или трехпроводной схеме. При двухпроводной схеме оба соединительных провода (сопротивления линии RЛ1 и RЛ2 ) включаются

манганина (термостабильный сплав на основе меди (около 85 %) с добавкой марганца (11,5-13,5 %) и никеля (2,5-3,5 %)) дополняет сопротивление проводов линии до значения, принятого при градуировке. В соответствии с [7] внешнее сопротивление должно быть следующих номиналов: 0,6; 5; 15 и 25 Ом. Для подгонки сопротивления Rу в схеме предусмотрен так

называемый контрольный резистор Rк , сопротивление которого равно сопротивлению терморезистора, соответствующему определенной (часто конечной) точке диапазона измерений. Включив Rк вместо RТ в плечо моста, уменьшают сопротивление Rу до момента установки указателя на выбранную отметку шкалы. После этого резистор Rк закорачивают.

Условие равновесия моста постоянного тока при двухпроводной схеме включения терморезистора имеет вид: RТ RЛ1 RЛ2 Rу R0 R3 R1R2 .

Резисторы R1 , R2 , R3 , R0 , Rу изготавливаются из манганина и не меняют

свое сопротивление при изменении температуры. Из условия равновесия моста видно, что мост будет реагировать не только на изменение RТ , но и на изменение RЛ1, RЛ2 . Изменение сопротивления проводов линии по какимлибо причинам, и прежде всего из-за изменения температуры среды, в которой находятся эти провода, приводит к погрешности термометра

42

сопротивление терморезистора (при 0 ºC); α – температурный коэффициент сопротивления терморезистора.

Использование равновесных мостов позволяет получать более высокую точность, чем использование неравновесных, однако их применение неэффективно при исследовании быстро протекающих тепловых процессов.

Этого недостатка не имеют неравновесные мосты. Однако точность неравновесных мостовых схем ниже, чем равновесных, что объясняется погрешностью индикатора, нелинейностью шкалы и влиянием изменения напряжения питания.

Для уменьшения погрешности от изменения напряжения питания в неравновесном режиме в качестве индикатора используют магнитоэлектрический логометр [4], сопротивления катушек которого обозначены на рис. 3.8 как Rр1 и Rр2 . Для того чтобы токи в Rр1 и Rр2 были

различными, в схеме предусмотрен резистор R4 , частично изготовленный из манганина, что позволяет скомпенсировать погрешность логометра от изменения сопротивления катушек из-за изменения температуры. Так как угол отклонения подвижной части логометра является функцией отношения токов в катушках, показания его не зависят от изменения напряжения питания.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивлений проводов

которая представлена на рис. 3.8. Как видно из рис. 3.9, в линии, связывающей терморезистор RТ с мостовой схемой, появляется третий провод RЛ3 , т. е. один из полюсов источника питания соединяется с RТ .

Условие равновесия моста при трехпроводной схеме включения терморезистора имеет вид: RТ RЛ1 R3 R1 R2 RЛ2 , т. е. сопротивления линии RЛ1 и RЛ2 разведены в разные стороны условия равновесия, и, следовательно, их одинаковые изменения должны компенсироваться. На

43

самом деле полной компенсации можно добиться только в равновесном режиме и при R1 R3 . В неравновесном режиме погрешность от изменения сопротивления линии также резко уменьшается, так как такие мосты обычно работают вблизи равновесия.

Несмотря на очевидное преимущество трехпроводной схемы, не следует отказываться от двухпроводной схемы во всех случаях, особенно с учетом экономических показателей. Дело в том, что длина линии может быть достаточно большой (сотни метров), и стоимость трехжильного кабеля (провод из меди) будет значительной. Поэтому если известно, что линия будет проходить в пространстве, в котором окружающая температура меняется незначительно (например, в пределах одного здания), то следует применять двухпроводную схему.

3.5. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры представляют собой соединение термоэлектрического преобразователя (термопары) и того или иного средства измерения. В качестве средства измерения могут использоваться милливольтметры и компенсаторы постоянного тока.

На рис. 3.10 представлена схема термоэлектрического термометра, на которой обозначены: ТП – термопара; УП – удлинительные провода; СП –

когда температура уже практически не меняется при изменении расстояния от объекта до средства измерения.

сопротивление, определяемое суммой сопротивлений термоэлектродов, уравнительного резистора и проводов. Шкала пирометрического милливольтметра градуируется в градусах, и при постоянстве Rвн и RmV его показания определяются значением термоЭДС. Так как в зависимости от

44

типа ТП меняется и значение термоЭДС, пирометрические милливольтметры выпускаются с указанием конкретных типов ТП, которые могут подключаться к этому милливольтметру.

Для поддержания постоянства Rвн в схеме показан уравнительный резистор, сопротивление которого дополняет Rвн до указанного на милливольтметре значения (0,6; 5; 15; 25 Ом). Обычно пирометрические милливольтметры имеют несколько зажимов с различными значениями Rвн .

Градуировка пирометрических милливольтметров производится при температуре свободных концов (t2 ), равной 0 ºC. В реальных условиях температура t2 0 ºC. Отличие температуры свободных концов ТП от градуировочного значения и изменение этой температуры в процессе эксплуатации приводят к погрешности. Существуют различные способы введения поправки на изменение температуры свободных концов ТП.

При ручном способе введения поправки к показанию милливольтметра, градуированного в градусах, необходимо прибавить с учетом знака поправку, равную отклонению температуры свободных концов от 0 ºC, умноженному на коэффициент k. Этот коэффициент, учитывающий нелинейность функции преобразования, зависит от измеряемой температуры. Для приближенных подсчетов можно принять k 0,8...1,0 для термопар из неблагородных металлов и k 0,5...0,6 для термопар из благородных металлов.

При полуавтоматическом способе введения поправки указатель милливольтметра при отключенной ТП корректором устанавливается на отметку шкалы, соответствующую температуре свободных концов. Далее в процессе измерений эта поправка будет вводиться автоматически. Недостатком данного способа введения поправки является необходимость повторения этих действий при изменении температуры t2 .

Ни ручной, ни полуавтоматический способы введения поправки на температуру свободных концов ТП неприемлемы, когда одновременно термопарами измеряется температура в десятках и даже сотнях точек какогото объекта, что происходит при измерениях с помощью измерительных систем. В этом случае применяется автоматический способ введения поправки, при котором последовательно с ТП и средством измерений (на рис. 3.11 условно показан милливольтметр) включают неравновесный мост с резистором R1 из меди (термозависимым) в одном из плеч. Остальные плечи

45

равновесия. Разность потенциалов, возникающая на измерительной диагонали моста, складывается с ЭДС термопары, практически полностью компенсируя отклонение термоЭДС из-за изменения t2 . Резистор R5 служит для регулировки чувствительности моста.

В качестве средства измерений в термоэлектрических термометрах используют также автоматические компенсаторы постоянного тока. При этом появляются следующие преимущества:

1.Повышается точность измерения, так как исключается влияние сопротивления проводов и термоэлектродов, и, кроме того, сам компенсатор имеет более высокую точность (класс точности автоматических компенсаторов 0,2; 0,5, в то время как класс точности пирометрического милливольтметра 1,5).

2.Автоматический компенсатор позволяет регистрировать значения измеряемой температуры и производить сигнализацию при ее отклонении от заданного диапазона.

Отсутствие зависимости показаний от сопротивления цепи при использовании в качестве средства измерений компенсатора позволяет значительно увеличивать расстояние между объектом и средством измерений, что в ряде случаев важно, например, на объектах ядерной энергетики.

46

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.РМГ 29–99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения. Минск: Изд-во стандартов, 2000.

2.Метрология, стандартизация и сертификация: учеб. для студентов вузов / Б. Я. Авдеев, В. В. Алексеев, Е. М. Антонюк и др. М.: Академия, 2007.

3. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения неэлектрических величин (Измерительные преобразователи): учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

4. Аббакумов К. Е., Антонюк Е. М., Филатов Ю. В. Измерительные преобразователи: учеб. пособие / СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008.

5. Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1966.

6.ГОСТ Р 8.585–2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. М.: Изд-во стандартов, 2001.

7.ГОСТ 6651–2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и

никеля. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2011.

47

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..…………3

1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

ИСРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ……………………………..……………….……….4

1.1.Определения и классификация методов измерений…………………..…4

1.2.Определения и классификация средств измерений……………………...6 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН……………………………………..…………...8

2.1.Измерение силы тока и напряжения…………………………………...….8

2.2.Измерение мощности и энергии………………………………………....14

2.3.Измерение частоты, фазы и временных интервалов…………………....16

2.4.Измерение параметров цепей постоянного и переменного тока………19 3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН..……………………………………………26

3.1.Общие сведения……………………...……………………………………26

3.2.Параметрические измерительные преобразователи………………..…..26

3.2.1.Термочувствительные резистивные преобразователи…………......26

3.2.2.Реостатные преобразователи……………………...…………………29

3.2.3.Тензочувствительные преобразователи………………………...…..30

3.2.4.Индуктивные преобразователи………………………………...……32

3.2.5.Емкостные преобразователи…………………………………...…….35

3.3.Генераторные измерительные преобразователи………………………..37

3.3.1.Термоэлектрические преобразователи……………………………...37

3.3.2.Пьезоэлектрические преобразователи……………………………....40

3.4.Электрические термометры сопротивления…………………………….41

3.5. Термоэлектрические термометры……………………………………......44

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………..………………………………...47

48